南圖爾蓋盆地Aryskum坳陷中侏羅統(tǒng)多尚組儲層敏感性研究?

韓長城，徐子煜，王文峰，張文文，張 楠

(新疆大學(xué) 地質(zhì)與礦業(yè)工程學(xué)院,新疆 烏魯木齊 830047)

0 引言

地下油氣藏在鉆井或開采過程中，由于外來流體的進入會使儲層中礦物顆粒發(fā)生一系列的變化，從而改變了儲層的物性特征[1].外界物理和化學(xué)的變化會使不同類型的黏土礦物發(fā)生水化和膨脹等作用，在一定程度對儲層的孔隙度和滲透率起著破壞作用，從而影響油氣藏后期有效開發(fā)和剩余油的挖潛[2].儲層敏感性評價一般通過選取地下深層鉆井巖心樣品進行實驗室驅(qū)替分析測試，分析在不同物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)的外來流體侵入情況下儲層物性發(fā)生改變的性質(zhì)[3,4].因此儲層敏感性研究成為油氣藏開發(fā)中的重要一環(huán)，準(zhǔn)確分析儲層在開發(fā)過程中受到的損壞程度[4]，針對性調(diào)整開發(fā)工藝，是高效開發(fā)油藏的重要前提[5,6].

南圖爾蓋盆地油氣資源豐富，探明石油儲量1.43×108t，天然氣資源量2.69×1010m3[7].自1980年南圖爾蓋盆地油氣勘探以來，先后發(fā)現(xiàn)肯尼斯、庫姆庫爾等千萬噸級油田，截至目前共發(fā)現(xiàn)17個商業(yè)性油田.南圖爾蓋盆地自此成為中亞油氣勘探的新熱點[7].

國內(nèi)外學(xué)者針對南圖爾蓋盆地油氣成藏的基礎(chǔ)要素進行了大量工作.南圖爾蓋盆地是一個以侏羅系-白堊系沉積為主的中生代裂谷盆地[8]，石巨業(yè)等對南圖爾蓋盆地侏羅系-白堊系層序發(fā)育特征及充填模式進行了研究，認(rèn)為主要發(fā)育10個三級層序，沉積環(huán)境主要為三角洲-河流相[9].斷裂系統(tǒng)及構(gòu)造特征對油氣成藏具有重要的作用[10]，侏羅系砂巖的復(fù)雜成巖作用及孔隙演化對儲層保存程度有重要的影響[11]，早中侏羅世的盆地伸展至晚侏羅世盆地壓扭反轉(zhuǎn)，再到白堊紀(jì)的剪切走滑作用對盆地油氣成藏有著重要的影響[12].宏觀構(gòu)造格局控制了油氣的分布，多級斷裂及不整合面形成了立體式油氣運移通道[13?16].綜合來看前人工作主要針對油氣成藏的基礎(chǔ)地質(zhì)條件，部分工作注意到了研究區(qū)開發(fā)存在的問題并針對儲層巖石學(xué)特征進行了分析[17?19]，但研究工作忽視了儲層敏感性研究[20,21].為此，本文選取Aryskum坳陷中侏羅統(tǒng)多尚組儲層巖樣，在儲層特征研究的基礎(chǔ)上，開展儲層敏感性評價研究，以期為該地區(qū)油氣勘探開發(fā)提供理論依據(jù)，也可為同類油藏提供借鑒參考.

1 區(qū)域地質(zhì)概況

研究區(qū)位于南圖爾蓋盆地南部的阿雷斯庫姆凹陷.盆地自西向東共發(fā)育4組斷裂帶：阿雷斯庫姆斷裂帶、阿克沙布拉克斷裂帶、薩雷蘭斷裂帶和鮑金根斷裂帶；平面上具有壘-塹相間的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，包含四個地塹和三個地壘的裂谷格局[6].盆地地層整體由前元古界-古生界基底和中新生界蓋層兩部分組成，其中基底部分由深變質(zhì)巖的真正基底和淺變質(zhì)巖部分的過渡基底組成.基底之上不整合接觸碎屑沉積地層，現(xiàn)今油氣發(fā)現(xiàn)主要集中于上部碎屑地層中.

中侏羅世Aryskum坳陷以斷陷活動為主，構(gòu)造上整體受基底控制，西高東低，斷層繼承性強.該時期在溫暖、半干-半潮濕氣候環(huán)境下，以湖相為主的欠補償?shù)臄嘞莺璩练e為特點，發(fā)育兩次湖侵，一是多尚組沉積晚期的初始湖泛，二是卡拉甘塞組沉積時期的大規(guī)模湖泛[17].

南圖爾蓋盆地發(fā)育前中生代基底及不整合其上的沉積層：侏羅系裂谷層系、白堊系-第四系裂后坳陷沉積層系（圖1）.南圖爾蓋盆地基底在早古生代末期逐漸固結(jié)，中-晚古生代是海陸過渡沉積階段，形成巨厚的碎屑巖-碳酸巖鹽混合沉積層.晚三疊世-早侏羅世發(fā)生大規(guī)模構(gòu)造碰撞造山運動，形成了卡拉套大斷層及其次一級斷層，同時地塹在這一階段也經(jīng)歷了強烈的差異沉降，其沉降幅度在早侏羅世最大，在晚侏羅世逐漸降低.

圖1 研究區(qū)地層發(fā)育情況Fig 1 Stratigraphic development in the study area

早侏羅世-中侏羅世時期，研究區(qū)沉積環(huán)境已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)殛懮虾闯练e為主，基底隆起區(qū)為主要的沉積物源供給區(qū)，地塹側(cè)緣發(fā)育粗粒砂礫巖河口相沉積的碎屑巖.侏羅-白堊紀(jì)交接期結(jié)束裂谷沉積.地塹停止強烈活動，整個盆地轉(zhuǎn)為緩慢坳陷，并逐漸停止沉積，有些地區(qū)遭受剝蝕，形成白堊系底部砂巖，即阿雷斯庫姆層.白堊紀(jì)-第三紀(jì)主要為河-湖及沖積相成因的砂泥巖互層.在晚白堊世末期，沿卡拉套大斷層發(fā)生逆掩擠壓.在這種水平變形的影響下形成系列反轉(zhuǎn)構(gòu)造.

2 儲層特征

目的層多尚組（J2ds）沉積地層不整合覆蓋于下部埃巴林組（J1p）地層之上，與上覆卡拉甘塞組（J2k）整合接觸.巖性以細(xì)砂巖以及中砂巖較為發(fā)育，而粗砂巖和礫巖含量較少，從圖2可以看出研究區(qū)主要發(fā)育石英-巖屑砂巖.中細(xì)砂巖呈灰色、暗灰色，少量呈淡灰色.沉積構(gòu)造以平行層理為主，少量為波狀層理，由灰色和暗灰色砂和泥互層組成.巖石組分以石英（48%）、巖屑（41%）、填隙物（11%）以及少量方解石和菱鐵礦為主.礦物成熟度相對較低，顆粒間填隙物含量較高.穩(wěn)定組分石英以單晶為主，磨圓為次棱角-次圓狀，有明顯的次生加大作用（圖3（a））.巖屑主要以未分異的沉積碎屑和火山碎屑為主，局部有壓實、破碎和變形，部分發(fā)生溶解和蝕變（圖3（b））.填隙物主要以雜基和膠結(jié)物為主.雜基以泥質(zhì)為主，充填與碎屑顆粒之間，對儲層物性影響較大.膠結(jié)物以亮晶方解石、微晶方解石及自生黏土礦物為主，充填于粒間孔、粒內(nèi)孔，堵塞孔隙（圖3（c）、圖3（d））.

圖2 Aryskum坳陷中侏羅統(tǒng)多尚組碎屑巖三角形圖版Fig 2 The Aryskum depression triangular chart of clastic rocks of Middle Jurassic Duoshang formation

圖3 Aryskum坳陷中侏羅統(tǒng)多尚組儲層巖石學(xué)特征Fig 3 Petrological characteristics of J2ds formation in Aryskum depression

根據(jù)地化資料，對研究區(qū)進行成巖階段的劃分.從表1可以看出，研究區(qū)中侏羅統(tǒng)多尚組地層屬于晚成巖A1期，古地溫分布范圍為60 ℃～110 ℃，Ro為0.50%～0.7%，粘土混層比為50%～35%，埋藏深度為1 900 m～2 750 m，有機質(zhì)低成熟；巖石已發(fā)生膠結(jié)、壓實作用，自生石英加大，長石和巖屑發(fā)生一定程度溶解，形成次生孔隙帶.

表1 Aryskum坳陷成巖階段劃分表Tab 1 The Aryskum depression diagenetic stage division table

3 儲層敏感性評價

3.1 水敏性分析

對研究區(qū)儲層開展水敏評價實驗，具體方法如下：在評價實驗過程中以標(biāo)準(zhǔn)鹽水代替地層水，其礦化度為65 g/L；剩余梯度礦化度，按比例降低.未注入地層水前巖心樣品孔隙度為15.5%～21.7%，平均為18.3%；空氣滲透率為1.31～184 mD.在巖心樣品抽真空條件下，將7種不同礦化度的模擬地層水按礦化度從高至低依次注入樣品中，并觀察巖心滲透率的變化特征.這7種礦化度地層水為模擬地層水、3/4模擬地層水、1/2模擬地層水、1/4模擬地層水、1/8模擬地層水、1/16模擬地層水及蒸餾水.實驗結(jié)果表明：研究區(qū)多尚組儲層滲透率水敏損害程度較高，損害率隨著地層水礦化度由高到低逐漸減小，分布范圍為31.5%～63.2%，平均為52.3%（圖4）.

圖4 多尚組儲層水敏實驗曲線Fig 4 Water sensitivity test curve of J2ds formation reservoir

研究區(qū)儲層整體具有中等偏強水敏感性，儲層中水敏感性與黏土礦物含量較高有關(guān).不同類型的黏土礦物遇到外來流體的膨脹能力存在著一定的差異性，經(jīng)前人多種測試分析認(rèn)為常見粘土礦物膨脹能力由強到弱依次為：蒙脫石-伊蒙混層和綠蒙混層-綠泥石-伊利石-高嶺石[22].研究區(qū)多尚組粘土礦物組成相對含量以伊利石為主（43%），其次是高嶺石（24%），伊蒙混層（17%）和綠泥石（16%）相對含量相對較低，沒有膨脹能力很強的蒙脫石黏土礦物.但是研究區(qū)多尚組存在一定量的伊蒙混層和綠泥石，伊蒙混層中蒙脫石的膨脹性以及綠泥石的膨脹性也是不可忽視的.綜上分析認(rèn)為，研究區(qū)儲層中等偏強水敏感性可能是相對較高含量的伊蒙混層礦物和綠泥石黏土礦物遇到外來流體發(fā)生膨脹和遷移從而引起滲透率降低所致.

3.2 速敏性分析

儲層內(nèi)部總是不同程度存在非常細(xì)小的微粒，如高嶺石、石英、長石以及酸化后的細(xì)小微粒，這些微粒呈牢固或半牢固膠結(jié)，或者呈松散狀分布于顆粒之間，當(dāng)有外來流體流經(jīng)儲層時，這些礦物微粒會隨著外來流體在儲層孔隙或吼道中遷移，并且在孔隙喉道較小處發(fā)生堆積作用從而堵塞流體的流動，因此會在一定程度上引起儲層滲透率的降低[22].

研究區(qū)多尚組地層埋藏深度大多在2 000米以上，多處于晚成巖作用早期（表1），巖石膠結(jié)作用較強，石英、長石等大顆粒礦物難以發(fā)生遷移，造巖顆粒呈點-線接觸，孔隙以原生粒間孔、粒內(nèi)溶孔為主.因此影響儲層速敏性的主要因素還是黏土礦物的類型.未充注地層水前巖心樣品孔隙度測試值域為13.4%～22.7%；測得空氣滲透率為1.32～166 mD.實驗結(jié)果表明：研究區(qū)儲層速敏損害率為9.9%～57.7%，平均為52.3%.研究區(qū)侏羅系多尚組儲層速敏感性為弱-中等偏強（圖5）.

圖5 多尚組儲層速敏實驗曲線Fig 5 Velocity sensitivity test curve of J2ds formation reservoir

研究區(qū)儲層速敏感性主要與儲層中黏土礦物含量和種類有關(guān).成巖膠結(jié)和壓實強度影響儲層中碎屑顆粒的固結(jié)程度，壓實膠結(jié)程度弱，碎屑顆粒固結(jié)不強則容易隨著流體遷移，形成速敏感性[22].本次實驗選取侏羅系多尚組地層巖心，因為埋藏相對較深，成巖階段屬晚成巖A1-A2期，巖石固結(jié)較強，儲層顆粒接觸緊密，微小顆粒難以隨地層水流動產(chǎn)生遷移（表1）.

前人研究發(fā)現(xiàn)儲層速敏性與高嶺石及綠泥石的相對含量呈正相關(guān)[23,24].綠泥石充填與石英及巖屑顆粒間的孔隙中（圖6（a）），高嶺石以鱗片狀雜亂堆積于孔隙中，同時見小規(guī)模溶蝕.雜亂式堆積充填對骨架顆粒附著力較差，同時高嶺石分子鍵能較低較易被流體牽引力所破壞，發(fā)生高嶺石遷移[8?10].儲層喉道半徑為0.125～1.695 μm，而電鏡照片顯示高嶺石單晶體的最小半徑為6 μm，一般高嶺石集合體的半徑在10～20 μm（圖6（b））.孔隙喉道易被高嶺石遷移晶體堵塞，造成滲透率降低.而儲層自生礦物中石英及長石一般以次生加大為主，單晶體幾乎不出現(xiàn)（圖6（c）），微孔隙發(fā)育，但連通性較差（圖6（d））.因此自生礦物難以發(fā)生遷移堵塞.綜上所述，由于受到了儲層內(nèi)速敏黏土礦物的影響，從而使研究區(qū)中侏羅統(tǒng)多尚組儲層敏感性為弱-中等偏強.

圖6 Aryskum坳陷中侏羅統(tǒng)多尚組黏土礦物及石英顆粒次生加大特征Fig 6 Secondary enlargement of clay minerals and quartz grains in J2ds in Aryskum depression

3.3 堿敏性分析

當(dāng)高pH值流體進入儲層內(nèi)會與黏土礦物及硅質(zhì)礦物發(fā)生溶解作用，溶解作用強弱與流體堿性程度呈正比.高pH值流體會與黏土及硅質(zhì)礦物反應(yīng)生成新的硅酸鹽沉淀物，同時高pH值流體中OH?會與溶解的某些二價陽離子反應(yīng)生成膠體或凝膠，沉淀物及凝膠產(chǎn)物會堵塞在孔隙喉道中，導(dǎo)致儲層滲透率下降[22].

對研究區(qū)儲層進行堿敏評價實驗（圖7），按pH值高低依次注入6 500 mg/L的KCl、KCl與NaOH混合液，注入速度均為0.1 mL/min.未注入地層水前巖心樣品孔隙度測試值域為15.8%～19.9%；測得空氣滲透率范圍為2.15～166 mD.實驗結(jié)果表明：研究區(qū)儲層堿敏損害率為1.6%～5.8%，平均為4.4%，研究區(qū)中侏羅統(tǒng)多尚組儲層敏感性為無-弱，在儲層中，高pH值的堿液對硅質(zhì)礦物的選擇性溶解能力較強，經(jīng)分析，認(rèn)為儲層堿敏較輕的原因是儲層中具有較少的硅質(zhì)礦物.盡管實驗顯示研究區(qū)儲層整體堿敏感性較弱，但在施工過程中還是要注意工作液的堿度選擇，盡可能地保護儲層.

圖7 多尚組儲層堿敏實驗曲線Fig 7 Alkali sensitivity test curve of J2ds formation reservoir

3.4 酸敏性分析

酸敏感性是指當(dāng)pH值較低的酸性溶液進入儲層孔隙空間后，酸性溶液與儲層中易溶礦物發(fā)生反應(yīng)后生成的沉淀物堵塞孔隙喉道或破壞巖石原有結(jié)構(gòu)，從而會加劇速敏感性，從而降低儲層滲透率的現(xiàn)象[22].取質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%的HCl進行酸敏實驗（表2）.注入速度為0.2 mL/min，酸反應(yīng)時間為1小時，壓差為0.6 MPa.多尚組碎屑巖儲層未充注地層水巖心樣品孔隙度測試值域為19.3%～21.3%；空氣滲透率為3.66～115 mD.實驗結(jié)果表明：研究區(qū)儲層酸敏損害率為-13%～25.4%，平均為4.5%，研究區(qū)中侏羅統(tǒng)多尚組儲層酸敏感性為無-弱.

表2 酸敏實驗結(jié)果Tab 2 Results of acid sensitivity experiment

由于儲層酸敏感性主要與儲層中的綠泥石、伊蒙混層有直接關(guān)系，損害率與其含量呈正相關(guān)[25].而研究區(qū)中侏羅統(tǒng)多尚組儲層黏土礦物中綠泥石及伊蒙混層相對含量較低，所以整體儲層酸敏感性較弱.另外，酸敏感性實驗中一個樣品出現(xiàn)酸化后滲透率改善的情況，分析認(rèn)為該儲層樣品中相對高的方解石及白云石含量是造成這一現(xiàn)象的直接原因.方解石及白云石被鹽酸溶解產(chǎn)生新的流體滲流通道，增大了儲層滲透率.

綜上所述，多尚組儲層水敏性、速敏性、堿敏性和酸敏性評價結(jié)果和其主要影響因素如表3.

表3 Aryskum坳陷中侏羅統(tǒng)多尚組儲層敏性評價結(jié)果Tab 3 Reservoir sensitivity evaluation results of J2ds formation in Aryskum depression

4 結(jié)論

（1）侏羅統(tǒng)多尚組儲層具有中等偏強水敏感性、弱-中等偏強速敏感性、無-弱堿敏感性及弱酸敏感性；

（2）伊蒙混層和綠泥石相對高含量是造成儲層中等偏強水敏感性的直接原因；高嶺石含量及孔喉結(jié)構(gòu)決定了儲層弱-中等偏強速敏感性；

（3）儲層酸堿敏感性較弱，另外部分高方解石及白云石充填儲層酸化改善效果明顯.